运动模糊图像恢复的算法研究与分析
2020-04-29
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维普资讯 http://www.cqvip.com 第"期 计算机技术与发展 VO1.17 No.8 200 7 年8月 COMPUTER TECHN0LoGY AND DEVEU0lPM旺NT Aug. 2007 运动模糊图像恢复的算法研究与分析 孟昕,张燕平 (安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室,安徽合肥230039) 摘要:运动模糊图像恢复是图像处理中的重要部分。从运动模糊图像退化模型开始,介绍比较了几种恢复算法,并选取 其中的维纳滤波法进行深入具体的实验,分析了图像恢复过程中存在的运动模糊仿真图片的正确生成、振铃效应及其与 恢复算法参数的选取之间的关系等问题,最后简要分析了图像恢复中质量变差的原因。 关键词:运动模糊图像;振铃效应;维纳滤波 中图分类号:TP18;TP301.6 文献标识码:A 文章编号:1673—629X(2007)08—0073—04 Study and Analysis of Motion。_。Blurred Image Restoration Algorithm MENG Xin,ZHANG Yah—ping (Ministry of Education Key Laboratory of Intelligence Computing and Signal Processing, Anhui University。Hefei 230039,China) Abstract:Motion-blurredilTlage restorationis animportant part of digitalilTlageprocessing.Inthispaper,startingwithmotion—blurred image degradation function model,analyse nad compare restoration algorithms of nati—filter,Wiener filter,maximum entropy,traveling wave equationanddimension rotmbnbasedonimage rest0rat 0nintheory.Atthe end.by concretelyexperimentingwithWienerfilter - gorithm,analyses several problemsand causestodegradation ofthe restoredimage. Key words:motion——blurred image;rir ̄ng effect;Wiener filter 0引 言 恢复的研究是从20世纪60年代开始的,随着图像处 运动模糊图像恢复所讨论的是对运动着的物体拍 理技术在众多领域中的应用,近年来对运动模糊图像 摄的模糊图像进行精确的恢复,它是图像恢复中的重 的恢复,已成为一个重要的课题。这种模糊具有普遍 要课题之一,可广泛用于天文、军事、道路交通、医学图 性,故有不少人研究它,也发展了许多复原方法。 像、工业控制及侦破领域,随着科学技术的不断进步和 发展,运动模糊图像恢复在各个领域中的应用越来越 1运动模糊图像退化模型 多,要求也越来越高,从事运动模糊图像的恢复研究具 运动模糊图像的退化模型可以描述为一个退化函 有重要的现实意义。 数和一个加性噪声项,处理一幅输入图像f(x,Y)产 在进行图像复原时,在数学方法上有许多其它选 生一幅退化图像g(x,Y),如图1所示。 择。首先,问题既可以用连续数学,也可以用离散数学 进行处理。其次,处理既可以在空间域,也可以在频率 域进行。此外,当复原必须用数学方法进行时,处理既 可通过空间域的卷积,也可以通过频域的相乘来实现。 图1 图像退化的模型 这样,我们就可以在明确所作假设的情况下,根据问题 g( ,Y):h( ,Y)*-厂(,27,Y)+n( , ) (1) 的要求和约束来选择最适合的方法。对运动模糊图像 公式(1)中^( , )是点扩散函数的空间描述, f(x,Y)为原始图像,g(x,Y)是模糊图像,n(x,Y)是 收稿日期:2006—11一O1 基金项目:安徽省自然科学基金项目(0504200208);安徽省教育厅 混叠在信号中的加性噪声。其中“*”表示空间卷积。 自然科学研究项目(2005kj053) 由于空间域的卷积等同于频率域的乘积,所以公式f1) 作者简介:孟昕(1981一),男,安徽阜阳人,硕士研究生,研究方向 的频率域描述为: 为智能计算;张燕平,教授,硕导,研究方向为人工神经网络、机器学 G(U, )=H(U, )F(U, )十N(U, ) (2) 习、人工智能在金融工程中的应用。 公式(2)中的大写字母项是公式(1)中相应项的 维普资讯 http://www.cqvip.com ・74・ 计算机技术与发展 第17卷 傅里叶变换。所以图像复原过程就可以看成已知g(x, 基于尺度旋转的图像恢复[引,将计算机图形学中 的尺度旋转引入运动模糊图像恢复中。物理运动学中, 在一定条件下可以作为水平直线运动与竖直方向直线 运动合成的结果,与水平方向夹角为0的运动,可以作 为先尺度旋转0,后水平运动,再尺度逆旋转0的运动 Y)和有关h(x,Y)、n(x,Y)的一些先验知识,求出 ,( ,y)E 。 2几种常见运动模糊恢复方法 逆滤波复原法 2是一个基于傅里叶变换的显而易 合成。图像恢复过程可以分为:图像恢复前旋转过程、 图像恢复过程和图像旋转还原过程。 见的方法,其基本过程就是根据式(2)变换得到: F( , ) = G( , )H一 ( , ). 一 N( , v)H (“, ) (3) 任意角度运动模糊图像模型公式为: . 由这个公式容易看出逆滤波对于信噪比很高的运 动模糊图像的还原很有效,特别适合大尺寸的二维图 像,速度较快。但是在实际中如果出现噪声,通常 H(“, )幅值衰减的比N(“, )快,即当“, 较大时, H(“, )通常很小,而N(“, )却接近一个常数,这样 就相当于放大了噪声,就会造成复原图像质量很差。而 且利用逆滤波恢复方法进行复原处理时,可能会发生 下列情况,当传输函数为零或很小时,公式无意义,呈 现病态特性,此时即使没有噪声,也无法精确地恢复图 像,恢复的图像出现条纹,即振铃现象。由于逆滤波恢 复方法的普遍病态性,所以需要模糊图像具有很高的 信噪比【3 J。在有噪声的情况下,这种恢复方法的效果很 差,对于运动模糊图像,由于其传输函数存在零点,所 以用逆滤波恢复方法时,无法精确复原图像。 维纳滤波法【4 J也叫均方误差最小滤波法,它是频 率域最常用的一种恢复方法: F(“, ):G(“,v)H (“, )/(1 H(“, )l + .:【) (4) 其中H (“, )是H(“, )的复共轭,.:【是信号和 噪声的功率之比,但往往用一个常数代替。维纳滤波是 一种综合考虑了退化函数和噪声统计特征两个方面进 行恢复处理的方法,它建立在认为图像和噪声是随机 过程的基础上,而目标是找一个未污染图像的估计值, 使它们的均方误差E{[f(x,Y)一 ( ,Y)] }最小。维 纳滤波复原法不存在极点,即分母至少为.:【,而且 H(“, )的零点也转换成了维纳滤波器的零点,抑制 了噪声,所以它在一定程度上克服了逆滤波复原方法 的缺点。尽管维纳滤波的能力是没有问题的,但也存在 着几个实质性的局限l2 J。第一,最优标准是基于最小均 方误差的且对所有误差等权处理,这个标准在数学上 可以接受,但却是个不适合人眼的方式,原因在于人类 对复原错误的感知在具有一致灰度和亮度的区域中更 为严重,而对于出现在暗的和高梯度区域的误差敏感 性差得多。第二,空间可变得退化不能用标准的维纳滤 波方法复原,而这样的退化是常见的。第三,维纳滤波 不能处理非平稳信号和噪声。 g( )=I,[( 一旦 ), +里 ]d£ 其图像恢复模型公式为: 厂( , )≈A一 ,[( 一 ), + ]+ g,[( 一五 ), + ] 』 k 0 』 式中a为总位移量,0为运动水平夹角,T为摄取图像 所用时间, 为x/(a cOs )的整数部分。基于尺度旋 转的图像恢复并将最小均方误差函数 E:mS n l lg(x,Y)一f(x,Y)l l作为标准进行参数的自动搜索,在此基础上建立恢复 模型,通过不同位移参数a与运动角度参数0组合的 均方误差比较,选取最小均方误差下的位移参数a与 运动角度参数0作为最佳参数估计,实现最小均方误 差准则下的图像恢复。这种方法可进行任意方向直线 运动模糊图像的恢复,但是对图像作尺度旋转时要进 行插值处理,使得这一步就引入了误差,影响图像恢复 的精度。而且每选定一个运动参数,就要与所选的标准 进行比较,以决定取舍,计算量较大,是一种随机优化 搜寻机制,在速度上往往慢于参数确定的恢复方法,需 要进一步的改进算法设计。 传播波方程法[ , 】是一种基于数学物理方程的空 间域方法,它对匀速水平运动形成的模糊图像利用一 维传播波方程来描述,并对此方程反向求数值解,从而 实现对匀速直线运动模糊图像的有效恢复。这种恢复 方法的优点是:它的研究对象是退化过程的物理背景, 有物理学方面深入、成熟的研究基础可以利用,严格且 更具直观性。但是它也存在着恢复过程中的误差积累, 对运动方向敏感等缺陷。对于以相对于相机的速度 沿水平方向移动的物体f(x)所成的模糊图像的模型 Tr 可以表示为:g( ):I,( —vt)dt,其中T为曝光时 间。使用传播波方程可以表示为: j(【盖+ 羞)叫( ,£)=0 叫( ,0):,( ) 其中,叫( ,£)是运动物体在t时刻的瞬时曝光,并在 维普资讯 http://www.cqvip.com 第8期 孟昕等:运动模糊图像恢复的算法研究与分析 ・75・ t=0时刻的瞬时曝光为.厂(z)。通过对这个模型的分 析得到图像恢复模型: 所示,模糊方向为45度,模糊距离为20像素。由于与 模糊方向相反的一侧图像信息的缺失,左侧和下方均 有黑色边沿,这在实际采集的模糊图像中是不存在的。 去掉人工模糊图片的边沿部分,如图2(c)所示,大小 为241*241,这样才可以将其与实际采集图片等同看 待。为了使仿真模糊图像更接近实际,加入了均值为 厂(z)= 去 (z)+f(z+vT) 此处,g(z)是给定的模糊图像。所以,当运动位移 D=vt只有有限的宽度L>0,即,厂(z)=0,V z [0,L]时,解厂(z)可以通过递推求取。未知的运动速 率 可以作为一个比例因子在计算中省略而不失一般 0、方差为0.0001的高斯噪声,如图2(d)所示。图2 性。作为一种空间域恢复法,传播波方程法避免了频 率域处理中或多或少出现的振铃效应和高代价的迭代 计算。 最大熵恢复法 ]是一种通过最大化某种反应图像 平滑性的准则函数来作为约束条件以解决图像复原中 的病态的方法。具体的公式推导过程较繁琐,参考文 献[8]对它有详细的推导。该算法收敛速度快,并且 由于仅对局部图像进行操作,因而可实现并行处理达 到实时恢复的速度,不过计算机量也很大。对于非水 平运动模糊的恢复,对算法略作调整即可,不过这同样 会引入误差,影响图像恢复的精度。 3实验及结果分析 实验使用的运动模糊图像为仿真运动模糊图像, 在仿真图像生成中要注意对边沿部分的处理,如图2 所示。原图是图像处理中常用到的lenna图像,如图2 (a)所示,大小为256*256。将这幅清晰图像与点扩 散函数进行卷积,可以得到人工模糊的图像,如图2(b) 豳 (e) (f) (g) 鳓 (h) 图2实验结果 (e)~(h)为 =0.1,0.01,0.001,0.0001的维纳滤波 恢复结果。 在使用频率域恢复法恢复实际采集的模糊图片 时,并不是很理想,存在着明暗相间的条纹,在图片的 边沿更加明显,也就是所谓的振铃现象,如图2(e)~ (h)所示。在逆滤波恢复法中,当传输函数H(U, ) 为零或很小时,公式(3)无意义,呈现病态特性,此时 即使没有噪声,也无法精确地恢复图像,恢复的图像出 现条纹,在维纳滤波恢复法中,公式(4)虽然引入了 , 也只是部分克服了逆滤波恢复中的这种缺点,即振铃 效应。在空间域恢复时,不存在这个缺点,图3是传播 波方程恢复的结果(没有添加噪声,为达到实际采集的 运动模糊效果,对边沿的处理这里采用为图像添加黑 色边框的方法)。 图3 传播波方程恢复的结果 豳 维纳滤波恢复中,振铃效应与 之间存在的关系 可以从图2(e)~(h)中看出来。当 取0.1时,如图 2(e)所示,振铃效应抑制的很好,人眼不容易觉察到, 但图像恢复的效果很差,图像中物体存在虚影,运动模 糊仍然可以明显看到。当|=【取0.01时,振铃效应人眼 可以很容易察觉得到,但是虚影几乎没有了,这幅图恢 复效果较好。当.=l取更小时,如图2(g)和(h)所示, 分 别为0.001和0.0001,恢复结果没有虚影存在,但振铃 效应非常明显,图像给人的颗粒感很强,恢复效果反而 变差。由以上分析可知, 值一般选取在0.01处图像恢 复的较为理想。 频率域恢复算法中多存在着振铃效应,影响图像 恢复效果的原因还有一些是算法无法克服的: (1)在恢复模糊图像时,每个像素都得需要其相 邻像素的信息才能得以恢复,而实际采集的运动模糊 图像边沿点由于没有足够的相邻像素可以利用。 (2)点扩散函数(PSF)离散化对图像恢复也会产 维普资讯 http://www.cqvip.com ・76・ 计算机技术与发展 第17卷 生一定影响 如果PSF方向是一维的,即:只是z方向 或者只是Y方向则离散化的时候不会带来问题,如图4 所示。如果是二维的,离散化的时候会带来一些问题, 如图5所示,可以看到,由于离散化的原因PSF并非 是直线。而PSF带来的这种误差会对恢复结果产生 一考虑了退化函数和噪声统计特征两个方面进行恢复处 理的方法,是最常用的方法。 文中选用维纳滤波进行模糊图像恢复,所遇到的 现象及对其产生的原因的分析也可以适用在别的恢复 算法中。 参考文献: [1]何斌,马天予,王运坚,等.Visual C++数字图像处理 定影响。 (3)一些恢复算法都是以物体匀速运动为前提的, 但现实中运动物体的速度不可能是完全匀速。 (4)很难具体确定模糊点数,如果差1个像素或者 [M].第2版.jE京:人民邮电出版社,2002:509—512. 0.5个像素都将对恢复后的图像产生很大影响。 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